4.2 - 备选方案和系统建模
在之前的系统工程步骤中，我们确定了构成项目一部分的功能，并根据需求分配了这些部分应该执行的任务。接下来的几个步骤旨在找到最佳设计来满足这些需求。在本节中，我们将探讨开发备选方案并将它们融入到完整的系统模型中。在下一节中，我们将展示如何使用这些模型来优化和选择备选方案。这些步骤按顺序描述，因为书籍是单词的线性序列。但在实践中，开发复杂的设计并非严格的线性过程。随着设计部分的确定和设计师发挥他们的创造力，新的安排和选项将不断出现。因此，设计将部分地通过迭代过程进行演变，并从后续步骤中获取反馈。这些步骤提供了一种组织的方式来启动设计过程，但它们会根据需要重复多次，并在多个详细级别进行。
开发备选方案进一步分为几个步骤。为了不遗漏任何有效的选项，我们首先确定所有当前可用和可能的新技术和方法来执行给定的功能。这种识别通常需要研究最新技术或了解该领域的专家。最初的调查不会根据开发阶段或实用性来限制选项，因为项目内的研究和开发可能会将它们提升到所需的级别。然后，可行性分析将消除其中一些技术。消除是基于诸如不满足一个或多个项目需求、研发成本与成功可能性之比等因素。然后，将剩余的选项调整到适合满足项目需求的范围。在该范围内，它们的設計參數將以數學模型、設計圖纸和其他設計信息的形式量化。需要注意的是，最终设计可能最终使用不止一项技术或方法。例如，一家航空公司显然使用飞机，但可能还有其他车辆用于加油、行李处理等。
如果设计团队足够大，它将包含不同学科的专家。然后，他们可以根据自己的经验领域被分配到不同的功能，以调查备选方案。如果团队规模小，或者只有一人（就像本书作者目前一样），那么设计师必须从其他来源收集信息以制定选项列表。即使后来变得很大的项目也往往从小处开始，因此收集超出自己经验领域的技术信息通常是必要的。执行此操作的任务包括
根据功能识别相关领域 - 使用功能标题和描述中的单词作为通用搜索引擎（如 Google）以及通用和专业参考来源中的搜索词。如果您不熟悉这些方法确定的领域，请阅读一些介绍性文章或材料，以了解其范围的基本知识。然后，您可以通过标准的图书馆和在线搜索方法、寻找专家询问、社交网络、联系该领域的公司等方法来收集有关该领域的更详细的信息。
开发候选人列表 - 从之前的搜索和数据收集，列出可能适用于执行该功能的项目。这包括现有项目和需要进行研究和开发的新项目。需要过多开发的项目将在稍后被过滤掉，我们的目标是此时具有包容性。它还包括仅执行部分功能的项目，需要与其他项目组合才能完整执行。然后，将候选人列表记录下来，并附上数据来源以及将其应用于设计的推理。
然后将候选人列表与项目需求进行比较，以确定是否可以实际使用它们，或者是否无法满足其中一个或多个需求。不满足需求的常见原因包括技术性能或规模、在项目时间表内使用的准备情况或成本过高，但任何需求都可能是消除的原因。尚未完全开发的技术不应仅仅因为这个原因而被拒绝。如果它们可以在合理的成本、项目时间表和合理的性能风险内开发出来，它们可以进行到下一步。某些技术可能勉强可行，或者没有足够的信息来决定。在这种情况下，它们应该被保留下来，并进行更多工作来完善细节。随着设计的不断完善，更多候选人将被发现不可行并被淘汰，或者可行但排名较低，直到最佳选项变得明显。
与其他步骤一样，可行性方面的数据、推理和选择都将被记录下来。我们在整个设计过程中强调记录，因为设计团队通常从小处开始，并随着时间的推移而不断壮大，因为技术总是在不断发展。一个小团队不可能了解所有技术，后面的成员可以填补空白或为工作添加更好的信息。将过去的设计逻辑清楚地记录下来有助于这个过程。技术的进步可能会使其成为更好的选择，或者在以前不可行的地方变得可行，能够追踪以前的设计决策有助于进行更新。
在下一步，可行的选项将根据项目需求进行调整。由于功能彼此交互，我们可能在此时并不知道所需的大小，例如，电力供应的大小。因此，我们建立了一个能够覆盖最终需求的宽泛范围。因此，如果我们估计需要 100 千瓦的电力，我们可以将不同的电源选项调整到 10 千瓦到 1 兆瓦的范围内，这样实际需求很可能就会在这个范围内。
设计参数会随着大小而变化。例如，机器人的电机和电池会随着货物尺寸和重量的增加而增大，但控制电子元件可能会保持不变。在高层建筑中，高度增加需要更大的支撑柱和更多电梯。这些类型的关系通常不是线性的，也不会从零开始。例如，你不能有一半的电梯。数学模型、图表、带尺寸的图纸和其他设计信息表达了性能和设计特征之间的关系。
一旦确定了可行的备选方案并确定了其规模，并且我们了解了其参数是如何变化的，我们就可以开始构建完整系统元素的模型，以及整个项目的模型。
在一个复杂的项目中，多个功能之间的相互作用以及它们对外部环境的影响也是复杂的。为了使整个系统正常运行，各个功能和流程必须被正确地设定规模。为了优化设计，必须理解在一个给定部分中选择替代方案对整个系统的影响。手动调整大小并重新计算每个更改的所有设计参数将非常缓慢、容易出错且极其繁琐。因此，我们构建数学模型来描述系统，并使用计算机来帮助重新计算、模拟和优化。在进行细节设计或构建物理硬件之前优化整体设计，从长远来看可以节省精力和成本。
本质上，模型是对系统及其各个部分的简化表示。在抽象形式中，数学公式、表格和其他分析和数值元素将系统与外部环境联系起来，并描述系统的各个部分以及它们之间如何相互关联。模型的元素基于为各种选项开发的设计信息、一般工程知识或在没有此类信息时的最佳估计。可以使用各种软件工具和方法来实现模型并执行必要的计算。这些范围从简单的电子表格到数值分析软件，再到单个元素到整个工厂的模拟软件。
可能需要多个软件工具才能完全模拟复杂系统。一种工具的输出通常用作另一种工具的输入，将它们链接起来形成一个完整的系统模型。选择使用哪些工具以及如何连接它们取决于许多因素。这些因素包括设计已达到的详细程度，可用工具对任务的适应程度，过去的经验以及可用的员工和资金。过度详细的建模可能无法获得足以使创建它们的努力有价值的设计改进。因此，建模过程本身也需要针对特定项目进行设计和优化。随着设计的发展，模型将并行发展，从简单到更复杂和更详细。因此，早期使用的工具通常不是后来使用的工具。在考虑如何对给定项目进行建模时，应该考虑如何在工作发展过程中将数据从一个工具转移到另一个工具。
建立需求和定义满足这些需求的功能不应预设设计解决方案，以免排除更好的替代方案。因此，系统建模过程应该允许替代方案，直到完成优化和选择。即使在那时，进一步的工作也可能会找到更好的解决方案并改变所选的替代方案。模型及其包含的数据应被认为是迄今为止开发的最新版本，但始终受到更新和改进。在规划和开发模型时，应该以可以轻松更改的方式构建它们。选择选项也可能在设计过程的不同时间点发生，用于系统的不同部分。因此，模型应允许进行增量更改。在某些情况下，选项之间的差异很大，并且在早期就很明显。在其他情况下，需要更详细的工作来定义选项，以便做出选择。因此，模型应该能够承载多个选项，直到做出最终选择。
模型由更简单的元素组成，这些元素以各种方式链接在一起。在设计早期阶段，这些简单元素可能是系统模型的全部内容。随着设计的进展，简单元素可能会被更详细和更准确的子模型替换。模型组件包括
表格和图表 - 表格可以列出选项，例如机器人车辆的各种电池技术，以及与每种电池相关的性能和功能。对于现有组件和材料，表格可以列出可用的选择。图表可以显示参数连续变化而不是离散选项或选择的场景。
参数方程 - 这些方程将一个变量量与系统中的其他量联系起来。例如，炉子的所需功率输入可以与待加热材料的 kg/小时乘以过程中的比热和温差相关联。在整个系统的分析过程中，改变生产率也会改变所需的功率水平。
带注释的图表 - 第 4.1 节中描述的相同类型的功能图可用于对系统元素进行建模。功能框和流程箭头用数量或公式以及它们的文本标签进行注释。
先前列出的模型元素在以裸表格、公式和图表的形式存在时不会对更改的输入做出反应。它们必须嵌入软件中，才能自动将更改的条目传播到模型的其余部分。
电子表格 - 常见的电子表格，例如 Microsoft Excel，是用于系统建模的有用工具。大多数设计师已经熟悉这种软件，并且公式、表格甚至活动图表都相对容易构建。对于更复杂和更详细的建模，它有一些缺点。这些缺点包括缺乏对缺失的流程和功能的自动检测，或者无法模拟物理过程。尽管如此，它仍然非常适合早期的系统建模以及作为更详细模型的摘要。
电子表格类型的模型可以采用表格或图示布局，或两者的结合。在表格形式中，组织它的常规方法是将功能框以及进入和离开它们的流程分组为行。当对多个备选方案进行建模时，它们被列为额外的行，并应用从 0% 到 100% 的使用系数。通过更改使用系数，您可以更改包含在计算中的备选方案。这包括混合备选方案，例如在总功率需求中使用不同数量的太阳能电池板和风力涡轮机作为电源。表格中的列代表构成流程的不同类型的资源。例如，金属铸造操作可能需要一定数量的公斤生金属和千瓦时电力来熔化它作为输入资源。消耗资源的功能具有负数量值，输出资源的功能具有正数量值。
列最终必须加起来为零，这意味着所有使用的输入都有一个来源提供。否则，您隐式地从无中创造或破坏资源，因此模型不完整或需要调整值。当它们加起来为零时，资源在会计意义上是平衡的。这与复式记账相同，在复式记账中，资产和负债（正负货币价值）必须相等，因此加起来为零。财务资源实际上是系统模型中可以包含的一种资源类型。平衡资源会计将最初为货币账户开发的内容推广到跟踪项目中的所有类型的资源 - 劳动力、材料、机器产量、能源或其他任何东西。
数值分析和模拟软件 -
设计和制造软件 -
集成模型和套件 - 工程设计趋势一直朝着将设计数据、模型和模拟集成到单个程序或相关软件套件中发展。部分原因是更强大的计算机和网络的出现。集成消除了在 3D 设计模型、系统模型、模拟和其他计算机辅助设计步骤之间移动数据的许多工作。它通过更快地将更改反馈到设计的其他部分来加快设计过程。商业套件相当昂贵，并且通常需要时间来学习如何有效地使用各个部分。它们更适合设计过程后期阶段更详细阶段的较大型设计团队。